朱林婕+王周琴

摘要：原子光譜分析是測(cè)量物質(zhì)化學(xué)成分及其含量的一種重要方法。本文從原子物理的基本概念出發(fā)，分析了原子的發(fā)射光譜和吸收光譜，并對(duì)原子光譜分析的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。這一研究對(duì)原子光譜分析的實(shí)際應(yīng)用具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：原子光譜；發(fā)射光譜；吸收光譜

一、引言

光譜學(xué)是光學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，其主要研究各種物質(zhì)的光譜的產(chǎn)生及其同物質(zhì)之間的相互作用。光譜就是電磁波的波長(zhǎng)及強(qiáng)度分布情況的記錄，有的光譜可能只有波長(zhǎng)分布的情況。按照光譜的形狀來(lái)區(qū)分，光譜可以分為三種：線(xiàn)狀光譜、帶狀光譜和連續(xù)光譜。根據(jù)玻爾理論，原子發(fā)射的光譜就是線(xiàn)狀光譜，這種光譜的譜線(xiàn)是分明的，波長(zhǎng)的數(shù)值有一定的間隔。光譜根據(jù)產(chǎn)生原理不同，可分為吸收光譜和發(fā)射光譜兩種。直接記錄由光源發(fā)射出的光線(xiàn)的光譜稱(chēng)為發(fā)射光譜。而吸收光譜的觀(guān)測(cè)方法則與發(fā)射光譜不同，先把物質(zhì)的一部分放在連續(xù)光譜的下面，使連續(xù)光譜先通過(guò)物質(zhì)再進(jìn)入光譜儀。這時(shí)候連續(xù)光譜中的一部分譜線(xiàn)會(huì)被物質(zhì)吸收，光譜透過(guò)之后就會(huì)發(fā)現(xiàn)，原本連續(xù)的光譜會(huì)有一些譜線(xiàn)消失，這些消失的譜線(xiàn)就是物質(zhì)的吸收光譜。

通過(guò)光譜的研究，人們可以得到原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)等多方面的物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)。但是，光譜學(xué)技術(shù)并不僅是一種科學(xué)工具，在化學(xué)分析中它也提供了重要的定性與定量的分析方法。根據(jù)物質(zhì)的發(fā)射光譜或吸收光譜區(qū)別物質(zhì)以及確定化學(xué)成分和各組成成分相對(duì)含量的方法稱(chēng)為光譜分析。而只依靠原子的特征發(fā)射光譜來(lái)研究鑒別物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及各個(gè)組成成分的相對(duì)含量的方法則稱(chēng)為原子發(fā)射光譜分析。

二、原子的發(fā)射光譜和吸收光譜

由玻爾理論可知，原子內(nèi)部的能級(jí)是處于分離狀態(tài)的。原子中的電子在能級(jí)之間躍遷只有通過(guò)吸收或發(fā)送一定量的能量才能完成。如果給原子或離子一定能量的作用，原子的外層電子將會(huì)獲得這部分能量，并從較低的能級(jí)躍遷到較高能級(jí)，這時(shí)候原子將會(huì)處在一個(gè)激發(fā)的狀態(tài)，稱(chēng)為吸收光譜。但是這個(gè)狀態(tài)是不穩(wěn)定的，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間會(huì)釋放能量，重新回到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)，稱(chēng)為發(fā)射光譜。原子或離子獲得的能量稱(chēng)作激發(fā)能或者激發(fā)電位，單位是電子伏特eV或cm-1。處在高能級(jí)上的電子是不穩(wěn)定的，在較短的時(shí)間內(nèi)會(huì)重新躍遷到原來(lái)的能級(jí)或其他較低能級(jí)，在躍遷的過(guò)程中會(huì)發(fā)射出一定波長(zhǎng)的光，在光譜中產(chǎn)生一條譜線(xiàn)，波長(zhǎng)或者頻譜和能級(jí)差滿(mǎn)足玻爾能級(jí)躍遷公式。同原子發(fā)射光譜一樣，原子的外層電子要想由較低的能級(jí)躍遷到較高能級(jí)，則需要吸收一定的能量，因此吸收一定波長(zhǎng)的光，在光譜中將會(huì)消失一條譜線(xiàn)，波長(zhǎng)同發(fā)射光譜的波長(zhǎng)公式相同。

三、原子光譜分析的理論和特點(diǎn)

根據(jù)操作的過(guò)程可以將原子發(fā)射光譜分析大致分成三個(gè)步驟，分別是激發(fā)、分光和檢測(cè)。第一步是使用激發(fā)光源使樣品蒸發(fā)汽化，解離或分離為原子狀態(tài)，然后繼續(xù)電離原子使之電離為離子狀態(tài)，樣品電離成離子狀態(tài)后可以在光源的激發(fā)下發(fā)光。第二步是利用光譜儀記錄樣品發(fā)射出的光譜。最后一步是利用光學(xué)器件檢測(cè)光譜，按照記錄的光譜波長(zhǎng)對(duì)樣品進(jìn)行定性分析，或者按照發(fā)射光譜的強(qiáng)度進(jìn)行定性分析。

光譜分析在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的巨大作用，與其自身的特點(diǎn)有著密切的關(guān)系。

1.分析速度快

在鑄鐵時(shí)使用原子發(fā)射光譜分析，能在極短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)得到幾十種元素的分析結(jié)果。

2.操作簡(jiǎn)單

通常情況下，樣品可以不經(jīng)過(guò)化學(xué)方法處理，直接對(duì)其使用光譜分析，再與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，最后只要簡(jiǎn)單地使用計(jì)算機(jī)，就能自動(dòng)地進(jìn)行分析、數(shù)據(jù)處理和打印處理結(jié)果。在氣體檢測(cè)中，不需要采集樣品，并且能夠在極短的時(shí)間內(nèi)得到結(jié)果從而判斷大氣質(zhì)量的情況。

3.不必得到純凈的樣品

只要利用已經(jīng)得知的譜線(xiàn)圖就能進(jìn)行光譜分析，從而減少對(duì)樣品的處理時(shí)間，這是光譜分析突出的優(yōu)點(diǎn)。

4.可以同時(shí)檢測(cè)多種元素

光譜分析不像其他分析，需要將樣品進(jìn)行分離才能分析，因此可以省去分離操作這個(gè)復(fù)雜的程序，并能夠同時(shí)檢測(cè)多種元素。

5.有極好的選擇性

對(duì)于那些化學(xué)組成及化學(xué)性質(zhì)相似的元素和物質(zhì)，如硅、碳等同族元素，它們的譜線(xiàn)是相互獨(dú)立且互不影響的，因此光譜分析是分析這些元素十分有效的方法。

6.極高的靈敏度

最新的數(shù)據(jù)表明，光譜分析的相對(duì)靈敏度最高可以達(dá)到十億分之一，絕對(duì)靈敏度最高也可以達(dá)10-9g。

7.對(duì)樣品損壞小

因?yàn)楣庾V分析對(duì)樣品幾乎沒(méi)有損害，因此在古物檢測(cè)或是刑事偵查等方面有著舉足輕重的作用。

然而光譜分析也有一些不足之處，如必須有一套精確的數(shù)據(jù)作為基本標(biāo)準(zhǔn)，并且要求被分析樣品的結(jié)構(gòu)及成分和標(biāo)準(zhǔn)樣品大致相同才可以，這樣往往使得光譜分析的應(yīng)用變得比較困難。

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